基于區(qū)塊鏈的電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法分析

龍 娜，王杰峰，王 策

（貴州電網(wǎng)公司信息中心，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

人們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂秒姎庠O(shè)備會(huì)產(chǎn)生電力數(shù)據(jù)，電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)包括用戶的家庭住址、用電量、電費(fèi)等，同時(shí)這些信息是用戶個(gè)人隱私信息，面向電力企業(yè)提供這些數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心應(yīng)用于電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作中，有效的與傳統(tǒng)存儲(chǔ)工作拉開差距，并且可以有效保障數(shù)據(jù)安全性，保障電力信息儲(chǔ)存的安全問(wèn)題，滿足現(xiàn)階段電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)的需求。

1 相關(guān)背景知識(shí)

區(qū)塊鏈采用的是分布式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。區(qū)塊鏈?zhǔn)腔谛聲r(shí)期分布式計(jì)算和存儲(chǔ)研發(fā)出來(lái)的新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。在傳遞數(shù)據(jù)的過(guò)程中，其行為是受到相關(guān)機(jī)制保護(hù)的，具有絕對(duì)的安全性。即便遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊，或者信號(hào)影響，都不會(huì)影響區(qū)塊鏈對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞和分享。

區(qū)塊鏈技術(shù)所擁有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得信息達(dá)成共識(shí)狀態(tài)，對(duì)于區(qū)塊鏈可以將其看成一個(gè)完整的信息體，經(jīng)過(guò)其處理的數(shù)據(jù)按照處理時(shí)間進(jìn)行保存，成為區(qū)塊。通過(guò)哈希值，將各個(gè)區(qū)塊有效地鏈接在一起，形成了區(qū)塊鏈，如圖1所示。

圖1 區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

在區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中，任何節(jié)點(diǎn)都可以訪問(wèn)，不受到限制，諸多的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行交互，交互流程如下。

1）節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交互，可以通過(guò)鑰匙與進(jìn)行交互。鑰匙分為私鑰和公鑰，私鑰負(fù)責(zé)自己的交易，使用公鑰可以在網(wǎng)絡(luò)上尋找地址。區(qū)塊鏈中的加密技術(shù)可以在存儲(chǔ)信息的過(guò)程中，對(duì)信息的情況加以認(rèn)證，并將完整的信息傳遞到網(wǎng)路當(dāng)中。

2）區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程中，需要對(duì)當(dāng)前進(jìn)行的行為驗(yàn)證，這樣能有效保證存儲(chǔ)行為真實(shí)有效。通過(guò)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，將驗(yàn)證信息散發(fā)至全網(wǎng)數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)信息同步。

3）約定的時(shí)間間隔內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)上述流程收集各項(xiàng)事務(wù)，通過(guò)整合排序，形成時(shí)間戳，等待候選的過(guò)程。

4）節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的交易必須是完整有效的信息，并且在當(dāng)前的散列上使用前一個(gè)區(qū)塊的值，如果使用的時(shí)候情況不是這樣，則需要丟棄候選區(qū)塊。

區(qū)塊鏈應(yīng)用程序?yàn)榱藵M足各種設(shè)備需求，提供了應(yīng)用程序接口，通過(guò)API進(jìn)行交互，底層技術(shù)問(wèn)題就無(wú)需擔(dān)心了。通常情況下，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)布事務(wù)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，會(huì)進(jìn)入到新區(qū)塊中。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，確保節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入其他網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在驗(yàn)證后拓展出新區(qū)塊并發(fā)展到區(qū)塊鏈中。

2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

區(qū)塊鏈的每個(gè)區(qū)塊中都由區(qū)塊和區(qū)塊頭兩部分組成，大數(shù)量的區(qū)塊頭是可以構(gòu)成完整的區(qū)塊鏈。目標(biāo)區(qū)塊也是前一個(gè)區(qū)塊的哈希值和隨機(jī)數(shù)組合生成的。根哈希驗(yàn)證交易的真實(shí)性，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證不會(huì)出現(xiàn)偽造交易。區(qū)塊中的區(qū)塊體主要用來(lái)對(duì)存儲(chǔ)交易的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，交易數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)根據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)具備的功能決定。

區(qū)塊鏈?zhǔn)腔谛畔⒔灰仔纬傻南到y(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部有著大量的交易數(shù)據(jù)，龐大的數(shù)據(jù)以Merkle樹的形式展現(xiàn)，并以樹狀結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)，如圖2所示。

圖2 Merkle樹

其中Merkle樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以是二叉或者演變成N叉，比特幣中使用的就是這種二叉樹的結(jié)構(gòu)。Merkle樹本身需要大數(shù)據(jù)，將其壓縮成字符，證明其保留的數(shù)據(jù)真實(shí)性，也無(wú)需顯示原始數(shù)據(jù)。Merkle樹是從下至上進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的。Merkle樹結(jié)構(gòu)中根據(jù)某種標(biāo)準(zhǔn)為其正確命名，用戶可以識(shí)別出有效內(nèi)容，無(wú)需解壓文件。不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上要區(qū)別開來(lái)，具體的不同可以參照表1，進(jìn)行充分的觀察。

表1 典型區(qū)塊鏈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式

3.1 區(qū)塊鏈的電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)，面向電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出一種存儲(chǔ)模型，模型擁有兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中的一個(gè)是分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為區(qū)塊鏈提供存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)區(qū)塊鏈也為分布式存儲(chǔ)提供安全性的支撐，具體構(gòu)架如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分布儲(chǔ)存架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包含電力營(yíng)銷分布式存儲(chǔ)以及多級(jí)加密。電力數(shù)據(jù)分布式流程需要智能電網(wǎng)設(shè)備或者用戶端向存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，經(jīng)由系統(tǒng)分布式節(jié)點(diǎn)為其提供服務(wù)，存儲(chǔ)之后需要在區(qū)塊鏈登記做記錄，智能電網(wǎng)設(shè)備或者用戶端對(duì)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

首先，智能電網(wǎng)設(shè)備或者用戶端需要向區(qū)塊鏈存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送存儲(chǔ)電力數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。并在分布式存儲(chǔ)的眾多節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，并向區(qū)塊鏈存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求，在請(qǐng)求發(fā)送后的一分鐘之內(nèi)，是不能再次向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求的。而正常情況下，另一邊的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)確認(rèn)后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

然后，在線節(jié)點(diǎn)會(huì)收到另一邊的存儲(chǔ)請(qǐng)求，并為其提供存儲(chǔ)服務(wù)，并且按照時(shí)間順序進(jìn)行回復(fù)。智能電網(wǎng)設(shè)備或用戶端收到節(jié)點(diǎn)回復(fù)的消息后，開始向節(jié)點(diǎn)傳輸電力數(shù)據(jù)。

最后，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)完成了請(qǐng)求的服務(wù)后，將另一邊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄傳輸至區(qū)塊鏈上。請(qǐng)求端對(duì)本次的服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)信息可以作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的信用分，可以根據(jù)不同的信用分判定其存儲(chǔ)性能[2]。

3.2 電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)的保密機(jī)制

基于區(qū)塊鏈電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為了保障數(shù)據(jù)的安全，提出一種多級(jí)加密機(jī)制，通過(guò)這種加密機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全性傳輸。并且該機(jī)制與分布式存儲(chǔ)相結(jié)合可以解決數(shù)據(jù)分割情況，提高系統(tǒng)工作效率，多級(jí)加密機(jī)制支持多種逐級(jí)加密和驗(yàn)證，具體流程如圖4。

圖4 多級(jí)加密機(jī)制

多級(jí)加密機(jī)制主要是由身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、哈希提取、加密通信組成[3]。在身份認(rèn)證中使用RSA算法可以生成公鑰、私鑰，幫助電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù)等具體的算法如下。

首先密鑰生成，先選擇兩個(gè)質(zhì)數(shù)P和Q，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)質(zhì)數(shù)之間的乘積N=P×Q；得出N的歐拉函數(shù)φ（N），也就是（P-1）×（Q-1）的乘積；再隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)e；整數(shù)e需要滿足1

數(shù)據(jù)加密采用了非對(duì)稱加密算法AES完成加密，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

3.3 實(shí)驗(yàn)仿真

針對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的機(jī)制進(jìn)行實(shí)踐，通過(guò)實(shí)踐結(jié)果對(duì)比兩方的性能。實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)傳輸過(guò)程中的延遲、吞吐量以及系統(tǒng)響應(yīng)速度作為評(píng)估的具體指標(biāo)。使用四臺(tái)計(jì)算機(jī)搭建分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)的配置都是相同的，智能電力設(shè)備由筆記本電腦模擬，筆記本電腦是區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較可以很明顯的看出本文提出的區(qū)塊鏈存儲(chǔ)機(jī)制延遲情況、和吞吐量情況均優(yōu)于傳統(tǒng)模式，響應(yīng)速度更快，滿足電力大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率需求[4]。

3.4 數(shù)據(jù)安全性分析

針對(duì)于數(shù)據(jù)安全防護(hù)技術(shù)，可以使用加密或者脫敏法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密法以密文的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)脫敏通過(guò)計(jì)算原始數(shù)據(jù)得到使用數(shù)據(jù)，通過(guò)AES、RSA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，數(shù)據(jù)將以密文的形式進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)，加強(qiáng)電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確表明了區(qū)塊鏈電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制的高效性能，更加適合進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保障數(shù)據(jù)的安全性。但是該系統(tǒng)中采用的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于不完整的數(shù)據(jù)無(wú)法正常進(jìn)行存儲(chǔ)工作。因?yàn)閿?shù)據(jù)需要按照提供方的要求進(jìn)行存儲(chǔ)，相關(guān)的文件都需要保存妥當(dāng)，不容丟失，這樣用戶使用的時(shí)候才不會(huì)發(fā)生文件被擅自偽造或者篡改的情況。通過(guò)采樣抽取對(duì)兩種方法的數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行分析，根據(jù)Setup和Challenge兩個(gè)階段可以輕易得出信息的完整性，最后的等式成立則說(shuō)明該種方式具有數(shù)據(jù)的完整性證明；如果不成立，則說(shuō)明數(shù)據(jù)文件可能已經(jīng)損壞[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)傳統(tǒng)電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)延遲、擴(kuò)展性等問(wèn)題，提出區(qū)塊鏈技術(shù)存數(shù)架構(gòu)。有效對(duì)電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的同時(shí)，還擁有數(shù)據(jù)追溯、審計(jì)、存儲(chǔ)穩(wěn)定性高等多種優(yōu)勢(shì)?；跀?shù)據(jù)安全性設(shè)置加密機(jī)制，有效保障數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的安全性。與傳統(tǒng)集中式電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)相比較，區(qū)塊鏈電力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)更加優(yōu)異，可以解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中的延遲等現(xiàn)象，更好地保障電力營(yíng)銷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。